Histerezis magnetic: descriere, proprietăți, aplicare practică. Histerezis în inginerie electrică

histerezis (din greacă? Histerezisul are loc în acele cazuri în care starea corpului la un moment dat de timp este determinată de condiții externe nu numai în același timp, ci și în momente anterioare. Ca urmare, pentru un proces ciclic (creștere și scădere a influenței externe), se obține o diagramă în formă de buclă (ambiguă), care se numește buclă de histerezis. Histerezisul apare în diferite substanțe și în diferite procese fizice. De cel mai mare interes sunt histerezisul magnetic, feroelectric și elastic.

Histerezisul magnetic este o dependență ambiguă a magnetizării M a unei substanțe ordonate magnetic (un magnet, de exemplu, un fero- sau ferimagnet) de un câmp magnetic extern H în timpul schimbării sale ciclice (creștere și scădere). Motivul existenței histerezii magnetice este prezența stărilor metastabile (împreună cu cele stabile) și a tranzițiilor ireversibile între ele între stările unui magnet care corespund minimului potențialului termodinamic, într-un anumit interval de modificări ale H. Histereza magnetică poate fi considerată și ca o manifestare a tranzițiilor de fază de orientare magnetică de ordinul întâi, pentru care apar tranziții directe și inverse între faze în funcție de H, datorită metastabilității indicate a stărilor, la diferite valori ale lui H.

Figura 1 prezintă schematic o dependență tipică a lui M de H într-un feromagnet; din starea M = 0 la H = 0, cu creșterea H, valoarea lui M crește (curba principală de magnetizare, a) și într-un câmp suficient de puternic H ≥ H m M devine aproape constantă și egală cu magnetizarea de saturație M s . Pe măsură ce H scade de la valoarea lui H m, magnetizarea se modifică de-a lungul ramurii b și, la H = 0, capătă valoarea M = M R (magnetizare reziduală). Pentru a demagnetiza o substanță (M = 0), este necesar să se aplice un câmp invers H = -H c, numit forță coercitivă. În plus, la H = -H m, proba este magnetizată la saturație (M = -M s) în direcția opusă. Când H se schimbă de la -H m la +H m, magnetizarea se modifică de-a lungul curbei c. Ramurile b și c, obținute prin schimbarea H din +H m în -H m și invers, formează o curbă închisă, numită buclă de histerezis maxim (sau limită). Ramurile b si c se numesc, respectiv, ramurile descendenta si ascendenta ale buclei de histerezis. La schimbarea H pe segmentul [-H 1, H 1] cu H 1<Н m зависимость М(Н) описывается замкнутой кривой (частной петлёй гистерезиса), целиком лежащей внутри максимальной петли гистерезиса.

Buclele de histerezis descrise sunt caracteristice proceselor de inversare a magnetizării destul de lente (cvasi-statice). Întârzierea lui M față de H în timpul magnetizării și demagnetizării duce la faptul că energia dobândită de magnet în timpul magnetizării nu este renunțată complet în timpul demagnetizării. Energia pierdută într-un ciclu este determinată de aria buclei de histerezis. Aceste pierderi de energie se numesc histerezis. Când proba este remagnetizată dinamic de un câmp magnetic alternant H~, bucla de histerezis se dovedește a fi mai largă decât cea statică datorită faptului că pierderilor de histerezis de cvasi-echilibru se adaugă pierderi dinamice, care pot fi asociate cu curenții turbionari. (în conductori) şi fenomene de relaxare.

Forma buclei de histerezis și cele mai importante caracteristici ale histerezii magnetice (pierderi de histerezis, Hc, M R etc.) depind de compoziția chimică a substanței, de starea structurală și de temperatura acesteia, de natura și distribuția defectelor în eșantionului, și, în consecință, asupra tehnologiei de preparare a acestuia și a tratamentelor fizice ulterioare (termic, mecanic, termomagnetic etc.). Asociat cu histerezisul magnetic este comportamentul de histerezis al unui număr de alte proprietăți fizice, cum ar fi histerezisul magnetostricției, histerezisul fenomenelor galvanomagnetice și magneto-optice și așa mai departe.

Histereza feroelectrică este o dependență ambiguă a mărimii vectorului de polarizare electrică P al feroelectricilor de puterea E a unui câmp electric extern în timpul unei modificări ciclice a acestuia din urmă. Feroelectricii au o polarizare spontană (adică spontană, care apare în absența unui câmp extern) P sp într-un anumit interval de temperatură. Direcția de polarizare poate fi schimbată de un câmp electric, în timp ce valoarea lui P pentru un E dat depinde de preistorie, adică de ceea ce era câmpul electric în vremuri anterioare. Histereza feroelectrică are forma unei bucle caracteristice (bucla de histerezis), ai cărei parametri principali sunt polarizarea reziduală P ost la E = 0 și câmpul coercitiv E k, la care se modifică direcția (comutarea) vectorului P sp. . Pentru monocristale perfecte, bucla de histerezis are o formă apropiată de dreptunghiulară și Р OST = Р SP. În cristalele reale, polarizarea reziduală este mai mică decât polarizarea spontană datorită divizării cristalului în domenii.

Existența histerezii feroelectrice decurge din teoria fenomenologică a fenomenelor feroelectrice, conform căreia valorile de echilibru ale Р cn la orice temperatură sub temperatura tranziției de fază feroelectrică corespund la două minime simetrice ale potențialului termodinamic, separate de un potențial. barieră. La E = + E k una dintre minime dispare, iar cristalul se află într-o stare cu o anumită direcție a vectorului P sp. Cu comutarea ciclică a polarizării spontane, zona buclei de histerezis determină pierderea de histerezis - cantitatea de energie de câmp electric care este convertită în căldură. Mărimea câmpului coercitiv este asociată și cu procesele de nucleare și evoluție în câmpul electric al domeniilor feroelectrice - regiuni ale cristalului cu direcția vectorului de polarizare spontană selectată de câmpul electric.

Histerezis elastic - o dependență ambiguă a tensiunii mecanice de deformarea unui corp elastic în timpul aplicării ciclice și îndepărtării sarcinii. Graficul tensiunii σ versus deformarea ε diferă de un segment de linie dreaptă care corespunde legii lui Hooke și este o buclă de histerezis (Fig. 2).

Aria acestei bucle este proporțională cu energia mecanică care este disipată (transformată în căldură) în timpul ciclului.

Apariția histerezii elastice în metale se datorează faptului că în unele granule de policristal microtensiunile depășesc semnificativ tensiunile medii din probă, ceea ce duce la apariția deformațiilor plastice și, astfel, la disiparea energiei mecanice. În unele cazuri, fenomenele electromagnetice contribuie la histerezisul elastic.

Histerezisul elastic ca manifestare a diferenței dintre un corp elastic real și un corp ideal elastic se observă la toate solidele, chiar și la temperaturi foarte scăzute. Histerezisul elastic determină amortizarea vibrațiilor libere ale corpurilor elastice, amortizarea sunetului în acestea, scăderea coeficientului de recuperare în timpul impactului inelastic etc. În cazul general, abaterea elasticității de la ideal este inclusă în conceptul de frecare internă. .

Lit.: Ilyushin A. A., Lensky V. S. Rezistența materialelor. M., 1959; Postnikov V.S. Frecare internă în metale. a 2-a ed. M., 1974. Vonsovsky SV Magnetism. M., 1984; Filippov BN, Tankeev AP Efecte dinamice în feromagneți cu structură de domeniu. M., 1987; Strukov B. A., Levanyuk A. P. Fundamentele fizice ale fenomenelor feroelectrice în cristale. M., 1995.

B. N. Filippov, B. A. Strukov, V. N. Kuznetsov.

Orice miez electromagnetic după acțiunea unui curent electric pentru o perioadă de timp reține un câmp magnetic (magnetism rezidual). Această valoare depinde de proprietățile materialului, dar magnetismul rezidual este întotdeauna prezent. Pentru a remagnetiza miezul, este nevoie de un flux magnetic în direcția opusă. Modificarea inducției magnetice nu ține pasul cu schimbarea fluxului magnetic. Această întârziere a magnetizării miezului din cauza unei schimbări în direcția fluxurilor magnetice este denumită histerezis.

Pentru a înțelege întreaga esență a acestui fenomen, este necesar să se ia în considerare capacitatea substanțelor de a magnetiza.

Proprietățile magnetice ale substanțelor

Toate substanțele din natură care ne înconjoară într-un fel sau altul au proprietăți magnetice. Chiar și în cele mai vechi timpuri, era cunoscută capacitatea uimitoare a anumitor minerale de a atrage obiecte de fier. Printre numeroasele instrumente de navigație necesare pentru trasarea cursului unei nave sau aeronave, există întotdeauna o busolă magnetică.

În cele mai precise instrumente de măsurare, magneții permanenți sunt printre părțile principale. Se știe că nu numai fierul are proprietăți magnetice puternice. Acestea includ cobaltul, nichelul, aliajele pe bază de acestea și unele elemente din pământuri rare. Toate aceste substanțe și aliaje se numesc feromagneți. Combină capacitatea lor de magnetizare spontană spontană.

Această proprietate a feromagneților este folosită pentru a crea magneți permanenți. Prezența momentelor magnetice necompensate în atomii materiei este o condiție necesară pentru apariția feromagnetismului.

În experimentul lui Einstein privind mărimea răsucirii în timpul magnetizării probei, s-a dovedit că feromagnetismul este asociat cu momentele magnetice de spin ale electronilor. Interacțiunea de schimb a electronilor la anumite rapoarte ale diametrului atomului și învelișului interior neumplut duce la o orientare paralelă a spinilor.

Este posibil doar dacă valoarea integralei energiei de schimb este pozitivă.

În cele din urmă, o astfel de orientare a spinurilor se stabilește într-un feromagnet care asigură valoarea minimă a sumei energiilor interacțiunilor magnetice și de schimb.

O regiune cu magnetizare spontană uniformă se numește domeniu. Cea mai favorabilă aranjare energetică a domeniilor este astfel încât acestea să formeze un circuit magnetic închis.

Între domeniile învecinate cu direcții diferite de magnetizare există straturi de tranziție numite limite de domenii sau pereți. În ele are loc o rotație treptată a vectorului de magnetizare.

Proprietățile ferromagnetice ale substanțelor există doar într-un anumit interval de temperatură. Temperatura la care feromagneții își pierd complet proprietățile feromagnetice se numește punctul Curie. Forma și dimensiunea domeniilor de pe suprafața unui feromagnet pot fi văzute la microscop.

În celula de cristal elementară a fierului, marginile cubului corespund direcției celei mai ușoare magnetizări a cristalului de fier. Diagonalele fețelor determină direcția magnetizării medii.

Direcția celei mai dificile magnetizări coincide cu diagonalele cubului. Zona de pe grafic caracterizează energia de anizotropie magnetică.

În absenţa unui câmp exterior, momentele magnetice ale domeniilor sunt orientate de-a lungul direcţiilor de magnetizare uşoară. În general, proba este demagnetizată.

În câmpurile slabe are loc creșterea domeniilor, a căror direcție de magnetizare face un unghi mai mic cu direcția câmpului extern.

Acest proces este reversibil. Dacă câmpul extern este îndepărtat, proba este demagnetizată. Odată cu creșterea câmpului extern, are loc o creștere suplimentară a domeniilor, care este suspendată din cauza defectelor cristalului. Când câmpul atinge o anumită valoare, pereții domeniilor în creștere sar peste obstacol. Din cauza acestui obstacol, curba de magnetizare are un caracter treptat.

Modificările de magnetizare asemănătoare unui salt creează impulsuri de tensiune în bobina solenoidului. Odată cu o creștere suplimentară a câmpului, vectorul de magnetizare se rotește de la axa de magnetizare ușoară spre câmpul exterior până când acestea coincid.

Histerezis

Această secțiune se numește regiunea de saturație tehnică a feromagnetului, iar valoarea câmpului corespunzătoare este numită câmp de saturație. Dacă câmpul este redus de la această valoare la zero, magnetizarea reziduală va rămâne în probă.

Histerezisul este fenomenul de magnetizare care rămâne în urmă cu puterea câmpului extern. Închiderea domeniilor, crearea unui circuit magnetic închis, reduc câmpurile parazite și reduc energia liberă a probei.

Este definită ca diferența dintre valorile saturației magnetice a unui feromagnet și magnetizarea domeniilor de închidere. Pentru a demagnetiza proba, este necesar să i se aplice un câmp negativ, numit forță coercitivă. Când câmpul atinge valoarea de saturație, va avea loc o remagnetizare completă a feromagnetului.

Pe grafic, puteți defini o altă proprietate care are histerezis. Odată cu următoarea modificare a câmpului, curba de magnetizare închide o buclă, care se numește buclă de histerezis.

Bucla de histerezis pentru condiția de saturație se numește buclă limită. Aria sa este proporțională cu pierderea de energie din cauza inversării magnetizării probei. Feromagneții magnetizați își schimbă dimensiunile liniare. Acest fenomen se numește magnetostricție.

Există două grupe principale de materiale feromagnetice:

1. Tare magnetic.
2. Magnetic moale.

Una dintre principalele cerințe pentru materialele magnetice moi este forța lor mare de coerciție. Materialele magnetice moi sunt magnetizate la saturație la câmpuri scăzute și au pierderi reduse de inversare a magnetizării. Pierderea de energie a transformatorului depinde de acești parametri.

De exemplu, într-o linie de transmisie de 100 x 10 6 VA cu transformatoare la capete, pierderea anuală este de aproximativ 5 milioane de kilowați-oră. Permalloy, un aliaj de fier și nichel, este considerat unul dintre cei mai buni reprezentanți ai materialelor magnetice moi. Magnetizarea permalloy-ului în câmpuri slabe este de zeci de ori mai mare decât magnetizarea fierului. Structurile ordonate magnetice din unele substanțe diferă de structura magnetică a feromagneților.

Dacă în fier, cobalt și nichel momentele magnetice de spin sunt direcționate în paralel, atunci în crom și mangan sunt antiparalele. Astfel de substanțe se numesc antiferomagneți.

În acest caz, sunt compensate subrețele magnetice cu magnetizare spontană. Dacă nu există o compensare completă a subrețelelor magnetice în cristalele unei substanțe, atunci se numește ferimagnet. Ferita este unul dintre exemplele de ferimagneți, care este utilizat pe scară largă în inginerie. Structura feritelor este similară cu structura mineralelor spinelului, în care ionii metalici neferomagnetici sunt înlocuiți cu cei feromagnetici.

Histerezis în inginerie electrică și electronică

Din varietatea de exemple de utilizare a materialelor feromagnetice, vom vorbi despre utilizarea lor în dispozitivele de stocare. Pentru stocarea rapidă a informațiilor, se folosește memoria pe inele de ferită. Un miez de ferită este suficient pentru a stoca un bit de informație. Dispozitivele de stocare pe termen lung de mare capacitate sunt discuri magnetice speciale (declanșatoare Schmidt).

De asemenea, este utilizat în motoare electrice speciale cu histerezis, dispozitive de suprimare a zgomotului (sarire de contact, vibrații etc.) la comutarea circuitelor logice.

Histerezisul termic există în multe dispozitive electronice. În timpul funcționării, dispozitivele se încălzesc, iar după răcire, unele proprietăți nu își mai iau valorile inițiale. Când microcircuitul, placa de circuit imprimat, cristalele semiconductoare sunt încălzite, se extind, apare stresul mecanic. Când este răcit, acest stres rămâne într-o oarecare măsură.

Bucla de histerezis. Cu o modificare ciclică a intensității unui câmp magnetic constant de la 0 la +H, de la +H la -H și din nou de la -H la +H, curba de schimbare a inducției (curba de inversare a magnetizării) are forma unei curbe închise - o buclă de histerezis. Pentru câmpurile slabe, bucla are forma unei elipse. Cu o creștere a valorii intensității câmpului magnetic H, se obține o serie de bucle de histerezis închise una în alta. Când toți vectorii de magnetizare ai domeniilor sunt orientați de-a lungul direcției câmpului, procesul de magnetizare se va încheia cu starea de saturație tehnică a magnetizării materialului. Bucla de histerezis obtinuta in conditia saturarii magnetizarii se numeste bucla de histerezis limitatoare. Se caracterizează prin valoarea maximă atinsă a inducției Bs, numită inducție de saturație. Când intensitatea câmpului magnetic scade de la +H la 0, inducția magnetică reține inducția reziduală Bs. Pentru a obține o inducție magnetică reziduală egală cu 0, este necesar să se aplice un câmp demagnetizant direcționat opus de o anumită putere -Hc. Forța negativă a câmpului magnetic -Hc se numește forța coercitivă a materialului. Când intensitatea câmpului magnetic atinge valoarea –H, apoi 0, inducția reziduală –Vs reapare. Dacă intensitatea câmpului magnetic crește la + Hc, atunci inducția magnetică reziduală Bc va fi egală cu 0. Aria buclelor de histerezis în stări intermediare și limită caracterizează disiparea energiei electrice în procesul de remagnetizare a materialului, adică. pierdere de histerezis. Aria buclei de histerezis depinde de proprietățile materialului, de dimensiunile geometrice ale acestuia și de frecvența inversării magnetizării. Conform buclei de histerezis limitatoare, sunt determinate astfel de caracteristici ale materialelor magnetice precum inducția de saturație Bs, inducția reziduală Bs și forța coercitivă Hc.

Curba de magnetizare

curba de magnetizare. Aceasta este cea mai importantă caracteristică a materialelor magnetice, arată dependența magnetizării sau inducției magnetice a materialului de puterea câmpului extern H. Inducția magnetică a materialului Bi este măsurată în Tesla (T) și este legată de magnetizarea. Curba de magnetizare principală (de comutare) este locația geometrică a vârfurilor buclelor de histerezis obținute în timpul remagnetizării ciclice și reflectă modificarea inducției magnetice B în funcție de intensitatea câmpului magnetic H, care este creată în material în timpul magnetizării. Intensitatea câmpului magnetic dintr-o probă sub formă de toroid, când circuitul magnetic este închis, este egală cu puterea câmpului extern Hb. Într-un circuit magnetic deschis, poli magnetici apar la capetele probei, creând un câmp demagnetizant Hp. Diferența dintre puterile magnetice ale câmpurilor externe și cele de demagnetizare determină puterea magnetică internă Hi a materialului. Curba de magnetizare principală are un număr de segmente caracteristice, care pot fi identificate în mod convențional în timpul magnetizării unui singur cristal al unui feromagnet. Prima secțiune a curbei de magnetizare corespunde procesului de deplasare a limitelor domeniilor orientate mai puțin favorabil. În al doilea segment, vectorii de magnetizare a domeniului se rotesc în direcția câmpului magnetic extern. A treia secțiune corespunde paraprocesului, adică. etapa finală a procesului de magnetizare, când un câmp magnetic puternic întoarce momentele magnetice neorientate ale domeniilor feromagneților în direcția acțiunii sale.

Histereza în conceptul general (din greacă - rămas în urmă) este o proprietate a anumitor sisteme fizice, biologice și de altă natură care răspund la influențe adecvate, ținând cont de starea actuală, precum și de preistorie.

Histerezisul este caracteristic așa-numitului. „saturație”, și diverse traiectorii ale graficelor corespunzătoare care marchează starea sistemului la un moment dat. Acestea din urmă, ca urmare, au forma unei bucle cu unghi ascuțit.

Dacă luăm în considerare în mod specific ingineria electrică, atunci fiecare miez electromagnetic după terminarea expunerii la curent electric pentru o perioadă de timp își păstrează propriul câmp magnetic, numit magnetism rezidual.

Valoarea sa depinde, în primul rând, de proprietățile materialului: pentru oțelul călit, este semnificativ mai mare decât pentru fierul moale.

Dar, în orice caz, fenomenul de magnetism rezidual este întotdeauna prezent atunci când miezul este remagnetizat, când este necesară demagnetizarea lui la zero, iar apoi schimbarea polului în cel opus.

Orice modificare a direcției curentului în înfășurarea unui electromagnet asigură (datorită prezenței proprietăților materialelor de mai sus) o demagnetizare preliminară a miezului. Abia după aceea își poate schimba polaritatea - aceasta este o lege binecunoscută a fizicii.

Pentru remagnetizarea în sens opus este necesar un flux magnetic adecvat.

Cu alte cuvinte: schimbarea miezului nu „ține pasul” cu modificările corespunzătoare ale fluxului magnetic pe care le creează prompt înfășurarea.

Această întârziere a magnetizării miezului de la modificări ale fluxurilor magnetice a primit denumirea în inginerie electrică ca histerezis.

Fiecare remagnetizare a miezului asigură eliminarea magnetismului rezidual prin expunerea acestuia la un flux magnetic opus. În practică, acest lucru duce la anumite pierderi de electricitate, care sunt cheltuite pentru depășirea orientării „greșite” a magneților moleculari.

Acestea din urmă se manifestă sub formă de generare de căldură și reprezintă așa-numitele costuri de histerezis.

Astfel, miezurile de oțel, de exemplu, statoarele sau armăturile motoarelor electrice sau generatoarelor, precum și, ar trebui să aibă cel mai mic posibil puterea de corelare. Acest lucru va reduce pierderile de histerezis, crescând în cele din urmă eficiența unității sau dispozitivului electric corespunzător.

Procesul de magnetizare în sine este determinat de graficul corespunzător - așa-numita buclă de histerezis. Este o curbă închisă care arată dependența ratei de magnetizare de modificările dinamicii intensității câmpului extern.

O zonă mare de buclă implică, în consecință, costuri mari pentru inversarea magnetizării.

De asemenea, în aproape toate dispozitivele electronice, există un astfel de fenomen precum histerezisul termic - nereturnarea după încălzirea echipamentului la starea inițială.

În și fenomenul de histerezis este utilizat în diverse medii de stocare magnetice (de exemplu, declanșatoare Schmidt), sau în motoarele electrice speciale de histerezis.

Acest efect fizic a găsit, de asemenea, o distribuție largă în diferite dispozitive concepute pentru a suprima diferite zgomote (sarire de contact, oscilații rapide etc.) în procesul de comutare a circuitelor logice.

Sistemele biologice și fizice sunt capabile să răspundă instantaneu la impactul aplicat acestora. Dacă luăm în considerare acest fenomen pe axa temporală a coordonatelor, devine observabil că răspunsul depinde de istoria sistemului și de starea sa actuală. Un grafic care demonstrează clar această proprietate a sistemelor se numește buclă de histerezis, care se distinge printr-o formă unghiulară ascuțită.

Forma originală a buclei se datorează efectului de saturație și traiectorie neuniformă între distanțe adiacente. Efectul histerezisului are diferențe fundamentale față de inerție, cu care este adesea confundat, uitând că rezistența monotonă diferă semnificativ de rezistența instantanee la acțiune.

Bucla de histerezis este un ciclu în care unele dintre proprietățile sistemului sunt utilizate indiferent de influențe, iar unele sunt trimise pentru re-verificare.

Fenomenul de histerezis în fizică

În fizică, sistemele întâlnesc cel mai adesea următoarele tipuri de histerezis:

• Magnetic - reflectă relația dintre vectorii tensiunii câmpului magnetic și magnetizarea din substanță. Acest fenomen explică existența magneților permanenți.
• Sepngetoelectric - relația dintre polarizarea feroelectricilor și modificările câmpului electric extern.
• Elastic - dependența deformării materialelor elastice de impactul presiunilor ridicate. Acest fenomen stă la baza caracteristicilor mecanice excelente ale produselor din metal forjat.

Histerezisul elastic apare în două tipuri principale - static și dinamic. În primul caz, bucla va fi uniformă, în al doilea - în continuă schimbare.

Aplicații ale histerezisului în electronică

În inginerie electrică, dispozitivele bazate pe interacțiuni magnetice sunt utilizate pe scară largă. Cele mai utilizate suporturi de date magnetice. Înțelegerea histerezisului este esențială pentru suprimarea zgomotului din ele, cum ar fi vibrațiile rapide sau vibrațiile de contact.

În majoritatea dispozitivelor electronice se observă fenomenul de histerezis termic. În timpul funcționării, dispozitivele se încălzesc, iar după răcire, o serie de caracteristici nu mai pot accepta fenomenele inițiale.

Deci, în procesul de încălzire, microcircuite și plăci de circuite imprimate, cristalele semiconductoare se extind. Ca urmare, se dezvoltă stres mecanic, al cărui efect asupra elementelor sistemului persistă după răcire. Histerezisul termic este deosebit de pronunțat în sursele de tensiune de referință de înaltă precizie.